Сегнетоэлектрики

Сегнетоэлектриками называется группа кристаллических диэлектриков, обладающих особыми диэлектрическими свойствами. Первоначально эти свойства были исследованы на кристаллах сегнетовой соли, отсюда и возникло название. Кроме сегнетовой соли к сегнетоэлектрикам относятся фосфат калия, метатитанат бария и др.

А. Для кристаллов сегнетоэлектриков характерна самопроизвольная ориентация электрических моментов элементарных ячеек кристаллической решетки таким образом, что в достаточно крупных областях решетки (с характерным размером до десятков микрометров) возникает большой результирующий электрический момент даже в отсутствии внешнего электрического поля. Такие области спонтанной поляризации в диэлектрике называются доменами. В обычных условиях векторы результирующих электрических моментов различных доменов направлены в различные стороны, в результате чего поляризация всего кристалла как целого практически отсутствует.

Во внешнем электрическом поле векторы электрических моментов доменов поворачиваются к направлению вектора напряженности внешнего поля, что приводит к поляризации всего объема диэлектрика. Чем сильнее внешнее поле, тем ближе к направлению внешнего поля поворачиваются векторы электрических моментов доменов. Очевидно, что колебательное тепловое движение узлов кристаллической решетки диэлектрика противодействует ориентирующему действию внешнего электрического поля. Поэтому диэлектрическая проницаемость e сегнетоэлектриков является сложной функцией напряженности поля в веществе и температуры.

Б. При больших значениях напряженности электрического поля в сегнетоэлектрике практически все векторы электрических моментов доменов развернуты по полю, следовательно, вектор поляризации сегнетоэлектрика перестанет меняться с изменением напряженности поля – наблюдается эффект насыщения.

Характер зависимости величины вектора электрической индукции в сегнетоэлектрике от напряженности электрического поля, вызывающего поляризацию, имеет вид петли гистерезиса (рис.).

При первоначальном увеличении внешнего поля увеличение электрической индукции характеризуется участком 0-1. Далее при уменьшении внешнего поля уменьшение индукции происходит по участку кривой 1-2-3-4.

Точка 2 характеризует остаточную поляризацию сегнетоэлектрика при Е =0. Точка 3 соответствует напряженности поля, необходимой для снятия состояния поляризации сегнетоэлектрика.

При циклическом изменении электрического поля изменение величины электрической индукции определяется петлей гистерезиса 1-2-3-4-5-6-1. Ветви 1-2-3-4 и 4-5-6-1 симметричны относительно точки 0. Поэтому точка 5 эквивалентна точке 2, а точка 6 – точке 3 с поправкой на направление полей и .

Рис.. Зависимость величины электрической индукции в сегнетоэлектрике от напряженности внешнего электрического поля

В. Диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков резко возрастает в определенных интервалах температур, ограниченных одним или двумя характерными значениями, называемыми нижней и верхней температурами Кюри (Т_К). Так для сегнетовой соли резкое увеличение e до значения около 10000 происходит в температурном интервале от Т_{К 1} = 255 К до Т_{К 2} =297 К. Метатитанат бария характеризуется одной температурой Кюри (Т_К =253 К), а его диэлектрическая проницаемость достигает в максимуме значения около 7000.

Если температура диэлектрика превышает верхнюю температуру Кюри, тепловое движение полностью разрушает спонтанную ориентацию электрических моментов, сегнетоэлектрические свойства исчезают, и сегнетоэлектрик превращается в обычный диэлектрик.

При температурах, меньших нижней температуры Кюри, областей спонтанной ориентации электрических моментов в ряде сегнетоэлектриков не возникает из-за слишком сильных взаимодействий между частицами вещества.

Сегнетоэлектрики имеют большое применение в радиоэлектронике для создания специализированных конденсаторов с большой электроемкостью и малыми размерами.